應(yīng)用于交流伺服系統(tǒng)多路輸出開關(guān)電源設(shè)計
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1.引言
與直流電機(jī)相比,交流電機(jī)不需要換向器和電刷,其結(jié)構(gòu)更加簡單。調(diào)速范圍寬、穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)響應(yīng)快、轉(zhuǎn)子慣量小、輸出功率大等諸多優(yōu)點,使得交流電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中得到較廣泛地應(yīng)用[1]。對伺服系統(tǒng)供電的電源性能的優(yōu)劣,直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性[2]。開關(guān)電源與低效率的線性電源相比,因為其效率高、體積小、重量輕而受到廣泛地關(guān)注[3]。美國PI 公司生產(chǎn)的開關(guān)電源專用集成芯片TOPSwitch-II,是一種將PWM 和MOSFET 合二為一的新型芯片,此系列芯片以其體積小、重量輕、價格低等優(yōu)勢,一經(jīng)推出便得到廣泛的應(yīng)用,展示了良好的應(yīng)用前景。
2.TOPSwitch-II 工作原理
TOPSwitch-II芯片,將脈寬調(diào)制(PWM)控制系統(tǒng)的全部功能集成在一起,結(jié)構(gòu)簡單,只有三個引出端,分別為控制端C、源極S和漏極D[4]。內(nèi)含脈寬調(diào)制器、功率開關(guān)場效應(yīng)管、自動偏置電路、保護(hù)電路、高壓啟動電路和環(huán)路補償電路,通過高頻變壓器使輸出端與電網(wǎng)完全隔離,真正實現(xiàn)無工頻變壓器、隔離式開關(guān)電源單片集成化,使用安全可靠。TOPSwitch-II是電流控制型開關(guān)電源,控制端提供偏壓Uc,對電流Ic的大小進(jìn)行控制,就能連續(xù)調(diào)節(jié)脈沖占空比,實現(xiàn)脈寬調(diào)制。占空比D與控制端電流Ic呈線性關(guān)系(圖1)。
由圖1 可知,在Ic=2.0~6.0mA 范圍內(nèi),當(dāng)Ic↑時D↓,Ic↓時D↑。ICD1 是并在C-S 極旁路電容的放電電流,為1.2mA 或1.4mA;IB 是外部偏置電流,
3.多路開關(guān)電源設(shè)計原理
TMS320F2812 是控制板中的最重要的器件一。它每秒可執(zhí)行1.5 億次指令,具備卓越的數(shù)據(jù)處理能力。對該芯片供電的優(yōu)劣,直接影響控制板工作的可靠性。由于芯片的供電電壓是3.3V,考慮到控制的需要,總共需要兩路+5V 供電,分別是模擬5V和數(shù)字5V。另外,控制板還有±15V 供電的芯片。IPM 模塊是交流伺服系統(tǒng)最重要的器件之一。它一般使用IGBT 作為功率開關(guān)元件,內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動電路的集成結(jié)構(gòu),尤其適合于驅(qū)動電機(jī)的變頻器和各種逆變電源。本系統(tǒng)所使用的IPM,總共需要4 路電氣隔離的+15V電源。綜上所述,伺服系統(tǒng)需要+15V、-15V 和+5V三種電壓等級供電,故需要設(shè)計一個能夠提供上述電壓等級的輔助電源。電源設(shè)計參數(shù)如下:
?、?輸入電壓:VAC;
?、?輸出電壓:U2~U9;
③ 最小功率:Pomin;
?、?最大功率:Pomax;
⑤ 轉(zhuǎn)換效率:η;
?、?開關(guān)頻率:fs;
?、?最大占空比:Dmax。
根據(jù)如上設(shè)計技術(shù)指標(biāo),需要從如下幾個部分進(jìn)行。
3.1 輸入整流濾波電路
輸入整流濾波電路采用Π型濾波(圖2):其中C17、C18 為差模電容,抑制差模干擾;C19、C20 為共模電容,抑制共模干擾;濾波電感L1 采用雙線并繞。采用不可控的整流橋,整流器件的額定電流有效值ID,必須滿足在低電壓輸入時最大平均電流值,
則:
1D 2( AC min ) omax I ? ?V PF ? P (1)式中,VACmin 為交流輸入電壓最小值;PF 為功率因數(shù),一般取0.5。反向阻斷電壓VR,按高電壓輸入進(jìn)行計算:max R 1.25 2 AC V ? ? V (2)圖2 中,輸入濾波電容C21 的容值,可以按照比例系數(shù)1~3μF/W 與輸出最大功率Pomax 的乘積進(jìn)行取值。
3.2 變壓器
單端反激式開關(guān)電源中的變壓器,在開關(guān)管開通時,儲存能量,阻斷時釋放能量而對負(fù)載供電[5]。對于多路輸出,如果要求每路輸出電壓均具有高精度,則每路均需要有閉環(huán)的穩(wěn)壓回路。對于本設(shè)計的多路輸出,U3 輸出這一路精度要求較高,對這一路輸出需加閉環(huán)控制,其它幾路要求相對不高,不需要閉環(huán)控制。
3.2.1 變壓器鐵芯
一般選軟磁鐵氧體作為變壓器鐵芯,根據(jù)式
(3)~(4)確定鐵芯型號。
8 1max max ( ) 2 10 ( C ) o ON SQ B K K j P T 計 (3)式中,S 為鐵芯的截面積(cm2);Q 為鐵芯的窗口面積(cm2)。Bs 為選用的鐵氧體飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度,考慮到高溫時Bs會下降,選定工作最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm;TONmax為最大占空比Dmax對應(yīng)的TOPSwitch-II 最大導(dǎo)通時間;△B 為鐵芯磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化量,工作磁感應(yīng)強(qiáng)為B,最小功率與最大功率的比值為K。上述幾個量相互之間的對應(yīng)關(guān)系為:
式中,Kc 為鐵芯填充系數(shù),Kμ 為窗口利用系數(shù),j為導(dǎo)線電流密度。在確定鐵芯型號時,鐵芯實際的截面積與窗口面積乘積SeQe,應(yīng)不小于SQ。
3.2.2 原邊電感和氣隙
反激式開關(guān)電源,當(dāng)工作在連續(xù)工作模式時,電感電流臨界連續(xù),變壓器原邊繞組最小電感值L1min 為:1 2 21min min min max (2 o S ) i ON L ? P T ? U T ? (5)式(5)中,Uimin 為變壓器原邊直流輸入電壓最小值,文獻(xiàn)[6]指出,它與VACmin 的關(guān)系為:2 1 1 1 1/2min min 21 max i 2 AC 2( ) (2 ) o U ? ?? V ? ?C ? ? f ? ? t P ?? (6)式中, f 為工頻交流電網(wǎng)頻率; t 為二極管的導(dǎo)通時間,一般取3ms。鐵芯所開氣隙δ 為:8 2 10 max 10 (2 e ) o S ? ? K? S B ? ? P T (7)3.2.3 原副邊繞組匝數(shù)計算及電感校核圖2 中,原副邊繞組匝數(shù)N1~N10,按式(8)~(17)
計算:4 1 1/21 0 1min 10 ( e ) N ? ?? ? S ? L ? ?? (8)(1)匝比計算:U2~U3 輸出,匝數(shù)為N2、N3??紤]到肖特基二極管壓降U5D,由反激電路輸入輸出電壓關(guān)系可以得到:?113 12 max 2 5 max min ( ON )( D ) ON i n n T T U U T U ? ? ? ? ? (9)U4~U9 輸出,匝數(shù)為N4~N9??紤]到超快速二極管壓降U15D,同理得:?114 max 4 15 max min ( ON )( D ) ON i n T T U U T U ? ? ? ? (10)15 16 17 18 19 14 n ? n ? n ? n ? n ? n (11)反饋繞組電壓為U10,匝數(shù)為N10,考慮到超快速二極管壓降U12D,同理得:1110 max 10 12 max min ( ON )( D ) ON i n T T U U T U ? ? ? ? (12)
(2)各繞組匝數(shù)計算:12 3 12 1 N ? N ? (n )? N (13)以U2 為參考標(biāo)準(zhǔn),計算其它副邊繞組匝數(shù)及重新計算原邊匝數(shù):1 2 12 N ? N ? n (14)14 2 5 4 15 2 ( D ) ( D ) N ? U ?U ? U ?U N (15)
N5 ? N6 ? N7 ? N8 ? N9 ? N4 (16)110 2 5 10 12 2 ( D ) ( D ) N ? U ?U ? U ?U N (17)式(13)~(17)實際取值時,因為匝數(shù)一般都取整數(shù),故需對上述計算值進(jìn)行進(jìn)位取整(例如計算結(jié)果為7.13 和7.83 時,均取為8)。(3)原邊電感校核:' 8 1 '21min 1 0 10 c L ? ? ? ? N ? S (18)式(18)的計算結(jié)果應(yīng)不小于式(5)的值。同理,可計算出副邊各個繞組最小電感值。考慮高頻集膚效應(yīng),當(dāng)開關(guān)頻率為fs 時,銅線的透入深度△為:1/20 ( s ) ? ? ? f ? ? ? (19)式中,γ 為銅線的電導(dǎo)率。在確定導(dǎo)線線徑時,其值不能超過2△。3.3 箝位保護(hù)電路采用瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)和超快恢復(fù)二極管(SRD)組成的箝位電路。電路的主要原理是利用TVS 的瞬態(tài)電壓抑制特性來抑制脈沖電壓[7]:當(dāng)TVS 管兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時,它能以極高的速度使其阻抗驟然降低,同時吸收一個大電流,將其兩端的電壓箝位在一個預(yù)定的數(shù)值上,從而確保后面的電路元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞。D11 為TVS,它與D12(SRD)組成箝位電路,如圖2 所示。D11 承受的耐壓值U11、D12 承受的耐壓值U12 分別按式(20)、式(21)計算:111 2 2 1 U ? 1.5U (N )? N? (20)12 max 2 AC U ? V (21)式中,N'1 為校核后的原邊匝數(shù)。3.4 反饋電路光耦反饋電路實際由兩部分構(gòu)成:①由反饋繞組N10、高頻整流濾波器構(gòu)成的非隔離式反饋電路,反饋電壓U10 為光敏晶體管提供偏壓;②由取樣電路、TL431、PC817 構(gòu)成的隔離式反饋電路,它將輸出電壓U3 的變化量直接轉(zhuǎn)換為控制電流Ic:在Ic=2~6mA 的范圍內(nèi),輸出電壓U3 減小時,經(jīng)過光耦反饋電路使得Ic 減小,D 增大,U3 增大,最終保證輸出電壓穩(wěn)定。4.八路開關(guān)電源設(shè)計及性能測試4.1 參數(shù)設(shè)計考慮IPM 和DSP 及其他芯片的工作電流,功率選為75W。由TOPSwitch-II 最大輸出功率與型號
故需對上述計算值進(jìn)行進(jìn)位取整(例如計算結(jié)果為
的關(guān)系,選擇TOP226Y。按照上述分析,設(shè)計了基于TOP226Y 的八路輸出開關(guān)電源,其電路原理圖,如圖2 所示,設(shè)計物理量及數(shù)值如表1 所示:表1 八路輸出開關(guān)電源設(shè)計物理量及數(shù)值
在繞制變壓器時,選擇了EI33 型鐵芯。為了使得各輸出繞組間緊密耦合,先繞N1 的一半,再繞N10,之后依次繞N2~N9,最后繞N1 的另一半。變壓器的各個繞組電感測量值和最小計算值如表2 所示:表2 變壓器各個繞組電感測量值與最小計算值比較
圖2 開關(guān)電源電路原理圖
從表2 可以看出,變壓器各個繞組電感測量值均不小于最小計算值,滿足設(shè)計要求。另外,將副邊繞聯(lián)立式(1)~(20),結(jié)合表1,可以求得開關(guān)電源各個主要待定物理量(按公式排列順序)如表3 所示:
表3 八路輸出開關(guān)電源待定物理量及數(shù)值
4.2 性能測試
交流輸入電壓給定187~253V 時,對開關(guān)電源進(jìn)行了上電試驗。為了證明鉗位電路的設(shè)計,圖3 給出了交流輸入電壓為220V 時,TOP226Y 的D 與S兩端的電壓應(yīng)力波形,用差分探頭20 倍衰減,可以看到電壓被TVS 箝位在200V,使得TOP226Y 得到了很好地保護(hù)。圖4~圖11 是交流輸入電壓為220V時,測得的八路輸出電壓波形,從圖中可以看到各路輸出較穩(wěn)定,紋波小。組短路,測得原邊繞組漏感量為26.28μH,小于原邊電感量5%。綜上所述,變壓器能夠正常工作。
5.結(jié)論
本文采用TOP226Y 設(shè)計了一款多路輸出的開關(guān)電源,對各個模塊給出了理論分析和參數(shù)計算,最后通過實測結(jié)果分析,得到以下結(jié)論:
(1)TOPSwitch-